江 波

（大連莊河市水務(wù)事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 大連 116400）

自密實(shí)混凝土是指依靠自身重力無需振搗就可以實(shí)現(xiàn)長距離的流動(dòng)，通過鋼筋間隙密實(shí)均勻地充滿結(jié)構(gòu)或模板的所有角落，并達(dá)到均勻性良好、高穩(wěn)定性和高流動(dòng)性的混凝土[1]。1986年，日本學(xué)者最先提出自密實(shí)混凝土的概念，隨后就被廣泛應(yīng)用于許多大型建筑企業(yè)開發(fā)和學(xué)術(shù)界的研究等，曾被稱為最具革命性的發(fā)展[2-5]。自密實(shí)混凝土與普通混凝土相比存在以下3點(diǎn)優(yōu)勢：①施工澆筑時(shí)無需振搗，可有效提升生產(chǎn)效率，大幅減少澆筑時(shí)間、物力和人力成本；②結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自由度明顯增加，對鋼筋密集、薄壁和復(fù)雜結(jié)構(gòu)具有較好適用性；③保證澆筑質(zhì)量，有效避免了過振、漏振或欠振等可能引起的質(zhì)量缺陷，模板受磨損程度大大減輕。因此，對于需要水平長距離流動(dòng)、水庫大壩等大截面水利工程，以及難以振搗的裂縫修補(bǔ)類混凝土工程，自密實(shí)混凝土具有廣泛的應(yīng)用前景。

目前，研究與應(yīng)用的自密實(shí)混凝土大多局限于旱地施工，難以充分發(fā)揮不泌水、不離析、高流動(dòng)性等優(yōu)勢。國內(nèi)外許多學(xué)者在自密實(shí)混凝土中摻入礦渣、硅粉和粉煤灰等摻合料，并研究了拌合物黏聚性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)硅粉可以改善其塑性狀態(tài)和硬化性能，包括均勻性、穩(wěn)定性和流變性，為水下施工提供了必要條件。水下不分散混凝土多用于水利工程，主要是摻入絮凝劑，以此改善混凝土黏性和水下抗分散性，達(dá)到水下澆筑的施工要求，但流動(dòng)度最高也就400mm，可流動(dòng)性差，依靠自身重力難以鋪滿整個(gè)模板。一般地，自密實(shí)混凝土的流動(dòng)度可以達(dá)到500～700mm，在保持高流動(dòng)性的情況下增強(qiáng)其水下抗分散性能，就可以實(shí)現(xiàn)水下澆筑施工。

因此，文章以減水劑、絮凝劑、硅粉和粉煤灰為控制變量，通過設(shè)計(jì)配合比制備出水下抗分散性能和流動(dòng)性能優(yōu)異的自密實(shí)混凝土，并進(jìn)一步探討了漿體孔結(jié)構(gòu)和抗壓強(qiáng)度、工作性能受硅粉和粉煤灰的影響。

1 試驗(yàn)方案

1.1 原材料及配合比

依據(jù)《水工自密實(shí)混凝土技術(shù)規(guī)程》合理設(shè)計(jì)配合比以及選擇原材料，其中水泥用遼陽千山水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5級水泥，標(biāo)稠用水量25%，比表面積315m2/kg；粉煤灰用鞍山成達(dá)電廠生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰，細(xì)度6.5%；礦粉選用海城市北海金田有限公司生產(chǎn)的S95級礦粉，比表面積468m2/kg；細(xì)骨料用人工機(jī)制砂，細(xì)度模數(shù)2.5，表觀密度2640kg/m3；粗骨料選用5～10mm連續(xù)級配人工碎石，表觀密度2680kg/m3；外加劑選用蘇博特PCA?-Ⅰ聚羧酸高效減水劑和德州瑞星PAM聚丙烯酰胺絮凝劑，減水率30%。

本文結(jié)合相關(guān)研究資料，設(shè)計(jì)體積水粉比1.0，硅粉摻量0%、5%、10%、15%、20%，粉煤灰摻量0%、10%、20%、30%、40%，絮凝劑摻量0.25%，減水劑摻量1.0%，含氣量5%，砂率42%，混凝土以及水泥砂漿的試驗(yàn)配合比見表1、表2。通過試驗(yàn)分析，探討砂漿孔結(jié)構(gòu)、混凝土力學(xué)性能以及工作性能受不同硅粉和粉煤灰摻量的影響。

表1 水工混凝土配合比設(shè)計(jì)

表2 水泥漿配合比

1.2 試驗(yàn)方法

本文參照水工自密實(shí)混凝土、水下不分散混凝土和水工混凝土等試驗(yàn)規(guī)程推薦的相關(guān)方法，測試新拌混凝土坍落度、水樣懸濁物含量、水下膠凝材料流失量以及各齡期陸上、水下硬化混凝土抗壓強(qiáng)度[6]。

采用φ16mm×10mm的凈漿試件進(jìn)行微觀試驗(yàn)，參照常規(guī)方法成型養(yǎng)護(hù)陸上凈漿試件。遵循以下流程成型養(yǎng)護(hù)水下凈漿試件：首先往試模內(nèi)灌滿水，并向試模中用注射器緩慢注入凈漿，排出一定的水量；然后在相對濕度90%、溫度(20±1)℃的環(huán)境中靜置24h后拆模，試樣編號(hào)標(biāo)記后放入(20±1)℃的水中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期；最后取出試樣完全浸入無水乙醇中，確保水泥終止水化，用真空干燥箱(溫度40～50℃)干燥24h，冷卻至室溫后按流程完成壓汞試驗(yàn)，所用儀器主要有MIP型全自動(dòng)壓汞儀。

2 結(jié)果與分析

2.1 拌合物工作性能

目前，水下不分散自密實(shí)混凝土的工作性能主要是指水下抗分散性能和流動(dòng)性能，其中抗分散性能的高低直接決定著拌合物能夠用于水下澆筑，而流動(dòng)性能是施工工藝和拌合物性能的主要影響因素。通過測試拌合物的水樣懸濁物含量、凝膠材料流失量、坍落度反映水下不分散自密實(shí)混凝土的水下抗分散性能和流動(dòng)性能，結(jié)果如圖1所示。

圖1 新拌混凝土工作性能

從圖1可以看出，新拌混凝土水樣懸濁物含量、膠凝材料流失量和坍落度均隨著粉煤灰摻量的增加而增大，摻30%、40%粉煤灰時(shí)水樣懸濁物含量和膠凝材料流失量均明顯增大。新拌混凝土坍落度隨著硅粉摻量的增加表現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢，水樣懸濁物含量和膠凝材料流失量隨硅粉摻量的增加逐漸減小，摻20%硅粉時(shí)坍落度明顯減小。硅粉與粉煤灰復(fù)摻時(shí)，新拌混凝土水樣懸濁物含量、膠凝材料流失量和坍落度隨硅粉取代比例的提高而減小[7]。

試驗(yàn)表明，粉煤灰的摻入可以有效改善新拌混凝土流動(dòng)性，但摻量超過30%時(shí)其水下抗分散性能大大減弱，究其原因是粉煤灰的滾珠和解絮作用發(fā)揮了較好的減水效應(yīng)，拌合物的黏性也明顯下降。因此，必須合理控制粉煤灰摻量處于合適范圍，其最佳摻量為20%～30%范圍。拌合物中摻入適量的硅粉能夠增強(qiáng)其黏性和水下抗分散性，但硅粉摻量過多會(huì)明顯減弱拌合物的流動(dòng)性，究其原因是微小的硅粉顆粒有利于填充硅粉-粉煤灰-水泥體系中的孔隙，優(yōu)化整體級配，發(fā)揮著軸承和滾珠作用，新拌混凝土流動(dòng)度明顯增大，但比表面積較大的硅粉需水量也遠(yuǎn)高于粉煤灰和水泥，大量自由水與過量的硅粉結(jié)合，使得新拌混凝土中的自由水含量大大減少，其流動(dòng)性能反而明顯下降[8-9]。所以，必須嚴(yán)格硅粉摻量，其最佳摻量為10%～20%區(qū)間。

依據(jù)圖1變化特征，新拌混凝土抗分散性能和流動(dòng)性能之間存在負(fù)相關(guān)性，但變化速率明顯不同。所以，通過控制影響抗分散性能和流動(dòng)性能的因素可以保持兩者處于較高水平上。根據(jù)現(xiàn)行技術(shù)規(guī)程對水下抗分散性能和自密實(shí)性能的要求，新拌混凝土的水樣懸濁物含量應(yīng)＜150mg/L、膠凝材料流失量應(yīng)＜1.5%以及拌合物坍落度應(yīng)＞550mm。試驗(yàn)中FS-1的水樣懸濁物含量146mm/L、膠凝材料流失量1.1%、坍落度610mm，F(xiàn)S-2的水樣懸濁物含量125mm/L、膠凝材料流失量1.0%、坍落度600mm，復(fù)摻15%硅粉+25%粉煤灰、復(fù)摻10%礦粉+30%粉煤灰的混凝土都能達(dá)到現(xiàn)行規(guī)范對水下抗分散性能和流動(dòng)性能的要求。

2.2 水工混凝土力學(xué)性能

靜水條件下，渠道襯砌面板之類的工程多使用,自密實(shí)混凝土，澆筑成型后主要承受水的壓力作用，故必須考慮水陸抗壓強(qiáng)度比和水下抗壓強(qiáng)度等力學(xué)性能。本文依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，通過測試陸上、水下各齡期混凝土水陸抗壓強(qiáng)度比及抗壓強(qiáng)度，以此反映混凝土力學(xué)性能，結(jié)果如圖2所示。

圖2 水工混凝土力學(xué)性能

從圖2可以看出，混凝土水下、陸上抗壓強(qiáng)度和水陸強(qiáng)度比均隨著粉煤灰摻量的增大而減小，摻30%粉煤灰時(shí)水下強(qiáng)度明顯減小，只有陸上的50%；混凝土陸上抗壓強(qiáng)度隨硅粉摻量的增加呈現(xiàn)出先升后降的變化趨勢，水下抗壓強(qiáng)度隨硅粉摻量的增加而增大，水陸強(qiáng)度比越高則水下越接近于陸上抗壓強(qiáng)度；混凝土復(fù)摻硅粉和粉煤灰時(shí)，水下、陸上抗壓強(qiáng)度均隨著硅粉占比的增加而增大，28d水下抗壓強(qiáng)度達(dá)到陸上的80%。

采用粉煤灰替代部分水泥使得其早期強(qiáng)度顯著減小，單摻粉煤灰時(shí)其水下抗分散性能也較弱，水下澆筑后流失較多的膠凝材料致使硬化后的強(qiáng)度偏低，而硅粉的摻入提高了混凝土早期強(qiáng)度和水下抗分散性能，水下澆筑后增強(qiáng)了混凝土的硬化強(qiáng)度。所以，在保持高流動(dòng)性的情況下，復(fù)摻適量的硅粉和粉煤灰能夠提高水下澆筑混凝土早期強(qiáng)度。試驗(yàn)表明，復(fù)摻10%硅粉+30%粉煤灰組的7d、28d水下抗壓強(qiáng)度依次為15.5MPa和34.1MPa，7d、28d水陸強(qiáng)度比依次為0.64和0.77，復(fù)摻15%硅粉+25%粉煤灰組的7d、28d水下抗壓強(qiáng)度依次為16.2MPa和34.6MPa，7d、28d水陸強(qiáng)度比依次為0.66、0.80，F(xiàn)S-1組、FS-2組水下不分散水工混凝土均符合現(xiàn)行規(guī)范對C25水下混凝土強(qiáng)度的要求。

2.3 漿體孔結(jié)構(gòu)

不同孔徑和孔隙率的分布狀況是硬化水泥漿體的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)特征，這在很大程度上決定了漿體的性能。一般地，硬化水泥漿體的孔結(jié)構(gòu)包括孔的形態(tài)、孔徑大小的分布以及總孔隙率等[10]。依據(jù)混凝土的受危害程度，可以將孔劃分成多害孔、有害孔、少害孔和無害孔4類，所對應(yīng)的孔徑分布為＞200nm、100～200nm、20～100nm和≤20nm，減少100nm以上孔和增加50nm以下的小孔有利于改善混凝土性能。本文結(jié)合以上劃分標(biāo)準(zhǔn)，將孔徑劃分成＞200nm、100～200nm、50～100nm、20～50n、5～20nm和≤5nm六個(gè)等級，利用壓汞法研究各齡期水下、陸上硬化漿體的孔隙率和孔徑分布狀況，如圖3、圖4所示。

圖3 漿體孔隙率

圖4 硬化漿體孔徑分布

從圖3可以看出，單摻硅粉、純水泥、復(fù)摻、單摻粉煤灰的凈漿試件總孔隙率依次增大，究其原因是摻入的硅粉活性較高，早期具有較高的水化程度，有利于優(yōu)化孔隙結(jié)構(gòu)，而粉煤灰的早期水化程度低，該發(fā)展趨勢與上節(jié)中的早期強(qiáng)度變化規(guī)律相符。

從圖4可以看出，硬化漿體的孔隙率均隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長而逐漸下降，孔徑超過100nm的有害孔逐漸轉(zhuǎn)變成5～50nm的少害孔和無害孔，說明齡期越長則水化產(chǎn)物的空隙填充效應(yīng)越明顯，對孔結(jié)構(gòu)的改善作用越高；陸上成型試件的總孔隙率小于水下成型，并且具有較優(yōu)的孔徑分布，水下成型試件多集中于200nm以上和50nm以下的孔，究其原因是水下成型時(shí)凈漿受水流沖刷作用，因具有較大的黏性漿體中的絮凝基團(tuán)不易被水沖散，但透過水層時(shí)絮凝基團(tuán)之間的黏聚力較低受影響較大，從孔結(jié)構(gòu)變化上主要反映在絮凝基團(tuán)表面形成的大孔和基團(tuán)內(nèi)部的小孔，但絮凝基團(tuán)間相連接、相擠壓而形成的孔隙缺乏；復(fù)摻硅粉和粉煤灰的水下試件，相對于其它3種情況具有較優(yōu)的孔徑分布，表明水下成型的漿體孔結(jié)構(gòu)受漿體黏性、粒徑分布以及膠凝材料組成的影響，混凝土的力學(xué)性能和工作性能受漿體孔結(jié)構(gòu)的分布影響顯著[11-12]。

3 結(jié) 論

1）隨粉煤灰摻量的增加新拌混凝土流動(dòng)性增大，水下抗分散性則表現(xiàn)出相反的變化特征，摻30%粉煤灰時(shí)水下抗分散性能快速下降；混凝土中摻入適量的硅粉可以增強(qiáng)其水下抗分散性能，硅粉摻量處于20%以內(nèi)時(shí)流動(dòng)性減弱程度較低；復(fù)摻硅粉與粉煤灰時(shí)，水下抗分散性能和流動(dòng)性能均比較良好，摻10%～15%硅粉或摻20%～30%粉煤灰時(shí)能夠滿足水下不分散混凝土、自密實(shí)混凝土有關(guān)要求，對于水下混凝土施工具有較強(qiáng)的適用性。

2）單摻粉煤灰時(shí)的早期強(qiáng)度較低，而硅粉有利于增強(qiáng)早期強(qiáng)度，混凝土水陸強(qiáng)度比越高則水下抗分散性能越好，硬化后的強(qiáng)度也越高。摻硅粉或粉煤灰有利于填充內(nèi)部空隙，優(yōu)化整體級配，硬化漿體孔隙率隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長而減小，齡期越長則少害孔和無害孔比例越高，孔徑也更加細(xì)化，漿體抗分散性對水下成型漿體的孔結(jié)構(gòu)影響較大。

3）將硅粉摻入混凝土中，雖然能夠增強(qiáng)其強(qiáng)度和工作性能，但摻量過多會(huì)引起嚴(yán)重的干縮現(xiàn)象。試驗(yàn)過程中可以觀測到一些干縮裂縫，并且硅粉摻量大于15%的陸上成型試件表面裂縫較多，水下試件裂痕不明顯，表明水下養(yǎng)護(hù)有利于控制干縮，對此仍需進(jìn)一步深入研究。